Antena de torniquete

Una antena de torniquete , o antena de dipolo cruzado, ^[1] es una antena de radio que consiste en un conjunto de dos antenas dipolo idénticas montadas en ángulos rectos entre sí y alimentadas en cuadratura de fase ; las dos corrientes aplicadas a los dipolos están desfasadas 90°. ^{[2] [3]} El nombre refleja la noción de que la antena parece un torniquete cuando se monta horizontalmente. La antena se puede utilizar en dos modos posibles. En modo normal, la antena irradia ondas de radio polarizadas horizontalmente perpendiculares a su eje. En modo axial, la antena irradia radiación polarizada circularmente a lo largo de su eje.

Las antenas de torniquete de modo normal especializadas, llamadas supertorniquetes o antenas de ala de murciélago , se utilizan como antenas de transmisión de televisión . Los torniquetes de modo axial se utilizan ampliamente para antenas de estaciones terrestres satelitales en las bandas VHF y UHF , ya que la polarización circular se utiliza a menudo para la comunicación por satélite, ya que no es sensible a la orientación de la antena satelital en el espacio.

La antena de torniquete fue inventada por George Brown en 1935 ^[2] y descrita en un artículo académico en 1936. ^[4] El historial de patentes revela la popularidad de la antena de torniquete a lo largo de los años. ^[5]

La antena se puede utilizar en dos modos diferentes: modo normal y modo axial . ^{[ cita requerida ]}

En direcciones perpendiculares a su eje, la antena irradia ondas de radio polarizadas linealmente ( polarizadas horizontalmente cuando el eje de la antena es vertical). Esto se llama modo normal . El patrón de radiación , una superposición de los dos patrones dipolares, es cercano a omnidireccional pero en realidad "tiene forma de trébol", con cuatro máximos pequeños en los extremos de los elementos. El patrón se aleja de la omnidireccionalidad en solo ± 5 por ciento. ^[3] La radiación en estas direcciones horizontales a menudo se aumenta apilando verticalmente múltiples antenas de torniquete (llamadas "bahías") alimentadas en fase. Esto aumenta la ganancia al fortalecer la radiación en las direcciones horizontales deseadas, pero causa una cancelación parcial de la radiación en direcciones verticales, lo que reduce la potencia desperdiciada irradiada hacia el cielo o hacia la tierra. Estas antenas de torniquete de modo normal apiladas se utilizan en frecuencias VHF y UHF para transmisión de FM y televisión.

Dado que los primeros torniquetes inventados por Brown funcionaban en este modo, el torniquete de modo normal se denomina ocasionalmente antena de torniquete George Brown . ^[3]

En los extremos del eje de la antena, perpendiculares al plano de los elementos, la antena irradia ondas de radio polarizadas circularmente (CP). Esto se llama modo axial . La radiación de un extremo está polarizada circularmente a la derecha y la del otro extremo está polarizada circularmente a la izquierda. Qué extremo produce qué polarización está determinado por la fase de las conexiones de alimentación. Dado que en una antena direccional solo se desea un solo haz, en una antena de modo axial simple se agrega una superficie conductora plana, como un reflector de pantalla metálica, un cuarto de longitud de onda detrás de los elementos cruzados. ^[1] Las ondas en esa dirección se reflejan de vuelta 180° y la reflexión invierte el sentido de polarización, por lo que las ondas reflejadas refuerzan la radiación hacia adelante. ^[1] Por ejemplo, si las ondas de radio radiadas hacia adelante están polarizadas circularmente a la derecha, las ondas radiadas hacia atrás estarán polarizadas circularmente a la izquierda. El reflector plano invierte el sentido de polarización, por lo que las ondas reflejadas están polarizadas circularmente a la derecha. Al ubicar el reflector λ/4 detrás de los elementos, las ondas directas y reflejadas están en fase y se suman. La adición del reflector aumenta la radiación axial en un factor de 2 (3 dB).

Otra forma común de aumentar la radiación del modo axial es reemplazar cada dipolo con un conjunto Yagi .

En una antena polarizada circularmente, es importante que la dirección de polarización de las antenas transmisora ​​y receptora sea la misma, ya que una antena polarizada circularmente a la derecha sufrirá una grave pérdida de ganancia al recibir ondas de radio polarizadas circularmente a la izquierda, y viceversa.

Las antenas de torniquete de modo axial se utilizan a menudo para antenas de satélite y misiles, ^[6] ya que se utiliza polarización circular en la comunicación por satélite . ^{[ cita requerida ]} Esto se debe a que con ondas polarizadas circularmente la orientación relativa de los elementos de la antena no afecta la ganancia.

Para que la antena funcione, los dos dipolos deben ser alimentados con corrientes de igual magnitud en cuadratura de fase , lo que significa que la fase de las ondas sinusoidales debe estar separada 90°. ^[3] Esto se hace con técnicas de línea de alimentación o agregando reactancia en serie con los dipolos. ^[3]

Un método popular para alimentar los dos dipolos en una antena de torniquete es dividir la señal de RF de la línea de transmisión en dos señales iguales con un divisor de dos vías y luego retrasar una de ellas 90 grados más de longitud eléctrica. Cada fase se aplica a uno de los dipolos. ^[3]

Al modificar la longitud y la forma de los dipolos, la impedancia terminal combinada presentada a un único punto de alimentación puede lograr una resistencia pura y producir corrientes en cuadratura en cada dipolo. ^{[3] [6]} Este método de cambiar las dimensiones físicas del elemento de antena para producir corrientes en cuadratura se conoce como alimentación de torniquete . ^[1]

La patente original de Brown describía el apilamiento vertical de múltiples antenas de torniquete para crear una antena omnidireccional polarizada horizontalmente y de alta ganancia para transmisión de radio. ^{[3] [2]} Estas se utilizaron para algunas de las primeras antenas de transmisión FM en la década de 1930. Sin embargo, la mayoría de las antenas de transmisión FM modernas utilizan polarización circular, por lo que la intensidad de la señal no variará con la orientación de la antena del receptor.

Una innovación posterior implicó cambiar la forma de los elementos dipolares, de simples varillas a formas más anchas, para aumentar el ancho de banda de la antena. ^[7] Las primeras antenas de transmisión de TV usaban elementos "con forma de cigarro", que se muestran en la imagen de la antena del Empire State Building de RCA de 1939 que se muestra arriba. Una forma común hoy en día es la antena de ala de murciélago o superturnstile , que se usa para la transmisión de televisión en las bandas VHF o UHF ^[8] La forma de ala de murciélago de cada elemento produce una antena con un ancho de banda de impedancia amplio. ^[1] Por lo general, se apilan hasta ocho antenas de ala de murciélago verticalmente y se alimentan en fase para hacer una antena omnidireccional de alta ganancia para transmisión de TV. ^{[3] [1]} El ancho de banda amplio era necesario en la banda de transmisión de TV analógica VHF baja, ya que el ancho de banda del canal de TV de 6 MHz era aproximadamente el 10% de la frecuencia. ^[1]

La polarización circular se utilizó para la comunicación de naves espaciales (satélites y misiles), ya que la polarización circular no es sensible a la orientación relativa de las antenas, y la antena del vehículo espacial podría tener cualquier orientación con respecto a la antena terrestre. Las antenas Yagi de alta ganancia se utilizaron a menudo para la estación terrestre.

El programa de misiles Nike de EE.UU. utilizó el modo axial para la telemetría y utilizó la técnica dipolar modificada para forzar las corrientes de cuadratura. ^[6]

Planos de construcción para ATA (Antena de torniquete asimétrica)

• Radiación de antenas de torniquete por encima de un plano de tierra conductor

• John Daniel Kraus (1988). Antenas (Edición posterior). McGraw-Hill College. pág. 892. ISBN 978-0-070-35422-7.$ 16-7: Antena de torniquete , págs. 726-729.